00109焊接工艺技术汇编09无铅焊锡真的对环境友好吗.doc

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1、无铅焊锡真的对环境友好吗？ By Edwin B. Smith III and L. Kristine Swanger本文介绍，对四种无铅合金 - Sn/Ag/Cu, Sn/Ag, Sn/Cu和 Sn/Sb -进行测试，以决定其对环境的影响。有害的废料定义为任何可能“在不适当处理、储存、运输或管理时，对人类健康和环境造成实际存在的或潜在的威胁”的东西 1。当废物处理时，被雨水和与其他废物反应所侵蚀，这是一个允许金属元素及其盐份从金属表面流失的过程。从废物中流失的重金属溶入储积在垃圾中的滤液中。如果垃圾被破坏，带有金属的滤液可能转移到本地的地下水，并污染它。美国环境保护结构(EPA, U.S.

2、Environmental ProtectionAgency)对无铅焊锡的兴趣就是处于这个概念。美国的废物法规毒性特征流失过程(TCLP, Toxicity Characteristic Leaching Procedure)是由 EPA所开发的，用来决定一项废物是否由于其毒性而有危害性。该法规定义一项危害性废物为，当“不适当管理时”对人类健康和环境有威胁的。据此，EPA已经开发出一套假设，描述废物可能被不适当处理的各种方式，即，有潜在威胁的废物可能与垃圾中的市政固体废料一起处理，有活性分解材料覆盖在地下水蓄水层上。因此，人类对有毒成分暴露最可能的途径是通过饮用被来自垃圾的滤液污染的水。TCL

3、P通过测量潜在的滤出和污染地下与表面水的成分，来定义废物的毒性是否达到造成健康或环境的问题。七天滤出方法(Seven-day Leach Methods)美国德州，以及其他环境调节者，发布一个七天、比 TCLP较保守的滤出方法。这些方法证明从一项特定废物的饮用和地下水污染的可能性。暴雨污染也可使用七天滤出法来预测。研究中的一分材料与其重量四倍的蒸馏或去离子水混合，摇动或抖动无分钟，然后允许无干扰的过滤七天。然后滤液经过过滤和分析感兴趣的成分。如果滤液显示污染物高于 EPA或当地饮用水标准，那么认为该材料没有通过。在这里所叙述的研究中，使用了去离子水和当地地下水两种来过滤焊锡中的金属；水的性质在

4、表一中列出。表一、过滤水的特性参数地下水去离子水pH7.567.05总的溶解固体(mg/L)3105氯化物(mg/L)1065碳酸盐/重碳酸盐(mg/L)1585硫酸盐(mg/L)445金属毒性现在有对铅的毒性影响以及现有铅替代金属问题的广泛研究 2。银与银的化合物可能造成生物学影响，如消化道发炎，其特征是皮肤、眼睛和黏膜的永久性蓝灰色色素沉积。还有，虽然在实验室研究中观察到生态毒性、生殖影响和诱变，但毒物学数据还没有全部研究。锑及其化合物可造成生物学影响，如严重的消化道发炎，伴随肚痛、恶心、呕吐和腹泻。虽然毒物学数据还没有完全研究，但是锑在饮用水中含有最低可允许的浓度极限之一。类似地，铜与铜

5、的化合物可造成生物学影响，如严重的消化道发炎，伴随肚痛、恶心、呕吐和腹泻。基于对铅替代焊锡合金的影响数据，很明显它们对人类健康和环境也有潜在的危害。法规的影响转向无铅焊接材料的 PCB制造商和装配商将需要评估下列新的材料在工作场所对环境的影响、管理与工业卫生问题： 银与银化合物 -受下列规章的限制： Superfund; SARA 313; RCRA; Clean Water Act Toxic Pollutant; California State Superfund Hazardous Substances; CAL-OSHA Directors List of Hazardous Sub

6、stances; California HWCL Hazardous Wastes。 锑与锑化合物 -受下列规章的限制： Superfund; SARA 313; Clean Air Act Hazardous Air Pollutant; Clean Water Act Toxic Pollutant; California State Superfund Hazardous Substances; CAL-OSHA Directors List of Hazardous Substances; California HWCL Hazardous Wastes。 铜与铜化合物 -受下列规章的

7、限制： Superfund; SARA 313; RCRA; Clean Water Act Toxic Pollutant; California State Superfund Hazardous Substances; CAL-OSHA Directors List of Hazardous Substances; California HWCL Hazardous Wastes。基于所列出的法规的影响，无铅替代焊锡合金可能不比传统的 Sn/Pb焊锡提供 PCB制造商更小的法律负担。实验方法用五种无铅合金所作的试验显示了其相互之间和相对于传统锡铅焊锡的毒性。锡线、锡块、 -325,+50

8、0的锡膏(有助焊剂)和锡渣是测试的焊锡物理形式，以此模仿来自 PCB制造和装配运作的废料流。五种合金：Sn96.3/Ag3.2/Cu0.5, Sn96.5/Ag3.5, Sn98/Ag2, Sn99.3/Ag0.7和 Sn95/Sb5。铋(Bi)的合金被排除，因为铋的主要来源是铅制造。铟的合金被排除，因为铟的可获得性差。还有，因为锌的焊接熔湿性差，该合金也被排除 3。所选择的每一种合金都是商业上可获得的。样品准备、过滤和分析每一种金属都是在元素状态获得的，然后在无氧条件下合金。锡线直径为 0.032，锡块是条状的，切割成不大于 0.375x0.375。(最大颗粒尺寸由 EPA过滤方法决定)。锡

9、渣是通过在室内空气中加热合金焊锡块，不时地使用钛条从熔化焊锡的表面去掉锡渣。以这种方式产生的锡渣的氧化物含量分析显示，它含有大约 90%的夹带金属和 10%的金属氧化物。锡膏样品是通过合金适当的元素，然后在一个惰性气氛中将它们吹成球状。然后筛选颗粒得到适合于密间距(fine-pitch)锡膏印刷的-325+500的粉末。预制由试剂级松香胶(20%)、甘油(10%)和乙醇(70%)组成的助焊剂膏。锡球和助焊膏然后混合，产生 90%固体的锡膏。典型的黏度：350400 Kcps。所选择的成分是要提供一个均匀的锡膏化学性质，消除除了金属成分以外的所有变量对结果的影响。选择的粉末球大小是要提供一个最坏

10、的情形(最大的可过滤性)。因为过滤是一个表面现象，球越小提供越高的表面面积对体积的比率，因此金属过滤的机会越高。最后，在“废料”样品准备之后，每一个都按 EPA协议过滤，然后使用该机构的金属分析方法来分析滤液。表二、试验完整结果TCLP 过滤(3/8锡块)合金Sn*Ag*Cu*Sb*Pb*109.3243.75NANA2011.56NANANA308.46NANANA40NA44.52NANA50NANA55.5NASn/Pb锡线0.082NANANA1,002 -325,+500 锡膏10028.23NANA200NANANA300NANANA40NA28.18NANA50NANA33.06

11、NASn/Pb锡膏11.39NANANA1,800使用去离子水的七天过滤结果(3/8 锡块)112.0060.0450.113NANA22.1090.087NANANA35.380.042NANANA40.547NA0.199NANA50.612NANA32.12NA使用地下水(3/8锡块)117.3360.3130.152NANA220.4590.365NANANA30.1870NANANA42.238NA0.078NANA52.003NANA68.44NA使用去离子水(3/8 锡渣)15.440.0850.089NANA25.310.066NANANA34.380.093NANANA40.

12、853NA0.146NANA50.399NANA27.71NA使用地下水(3/8 锡渣)19.220.2590.181NANA29.8030.303NANANA32.5020.37NANANA41.158NA0.064NANA51.912NANA53.47NA合金： 1. Sn96.3/Ag3.2/Cu0.5, 2. Sn96.5/Ag3.5, 3. Sn98/Ag2, 4. Sn99.3/Cu0.7, 5. Sn95/Sb5结果与结论表二显示，无铅焊锡显示在不同的过滤媒质中有几个元素过滤在 EPA所允许的极限水平之上。最显著的是 Sn95/Sb5合金。所发现的可过滤锑(Sb)水平是大约在饮用

13、水中最大可允许的 10,000倍，在所有过滤方法中任何的物理形式都超过法定的极限。其他发现：所有的含银和锑的无铅合金对 TCLP的过滤都超出法定极限(表三)。含银的无铅合金对所有使用去离子水的七天过滤测试都接近饮用水中 EPA的 0.1mg/L的极限。在这个对银的测试中，当使用地下水时，其水平超出法定的极限。最后，按照大多数试验，锡不过滤很多。锡的盐倾向于在室温下不溶于水。表三、法定极限元素媒质极限,mg/L来源锡所有没有发现银饮用水0.1EPA 40 CFR 141银TCLP滤液5EPA 40 CFR 261锑饮用水0.006EPA 40 CFR 141 锑TCLP滤液1TNRCC 30 TAC 335*铜饮用水1EPA 40 CFR 141 铜TCLP滤液500各州法规铅饮用水0.015EPA 40 CFR 141 铅TCLP滤液5EPA 40 CFR 261 * *美国德州法规*一些法院奉行 1.5 mg/L的极限，基于多个 0.015mg/L饮用水极限 结论：无铅焊锡不是解决锡/铅合金的潜在毒性影响的万灵药。而实验数据显示无铅焊锡的过滤是归于将它们归于有害废料的水平，即，它们对银和锑对超出了水平。因此，如果焊银或锑的无铅焊锡处理不当和接触地下水，按照 EPA标准，焊锡可能归为不安全饮用的。还有，来自这些合金的锡渣带有许多相同的危险，因为在这些实验中的性能类似于父合金。